作者简介:洪盛熙(1990—),男,华南理工大学硕士研究生.研究方向:介观系统的电子输运.E-mail:1228313900@qq.com
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1)华南理工大学物理与光电学院,广东广州 510641; 2)南方科技大学物理系,广东深圳 518055
Hong Shengxi1, 2, Deng Wenji1, and Liu Junfeng21)School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou 510641, Guangdong Province, P.R.China2)Department of Physics, South University of Science and Technology of China, Shenzhen 518055, Guangdong Province, P.R.China
condensed matter physics; graphene-like material; valley current; spin current; quantum pumping; cyclic modulation
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2016.04352
通过对应力及电势垒的周期调制,在石墨烯及类石墨烯蜂窝格子材料中泵浦出能谷流.应力在能谷K和K'处诱导的符号相反的矢势,等效于加载K和K'能谷处的应力泵浦信号间有一个π相位差,导致纯能谷流的产生.当在含有自旋轨道耦合的类石墨烯蜂窝格子材料中存在一个交错子格子势时,经由自旋-能谷锁定相,泵浦出的纯能谷流可伴随着纯的自旋流.再引入一个交换场后,可通过泵浦得到电荷流、能谷极化流以及自旋极化流.
We propose a scheme for the pumping of bulk valley current in graphene and graphene-like honeycomb crystals by cyclic modulation of the strain and an electric potential barrier. The strain-induced opposite vector potentials at K and K' valleys generate a π phase difference between the pumping signals of strain in two valleys, which leads to a pure valley current. In graphene-like honeycomb crystals with spin-orbit coupling, the pumped pure valley current can be accompanied by a pure spin current via the spin-valley locked phase in the presence of a staggered sublattice potential. The charge current, valley-polarized current, and spin-polarized current can also be pumped when an exchange field is applied.
在石墨烯及类石墨烯二维蜂窝格子材料中,电子具有一个额外的自由度,即能谷自由度.能谷自由度产生于布里渊区中存在的两个不等价的狄拉克点(K和K'点)[1-3].这两个狄拉克点在能量上是简并的,它们之间由时间反演对称性联系起来.由于两个狄拉克点之间存在大动量差,能谷之间的散射在不含杂质的本征样品中是严格禁止的[4-7].因此,能谷在电子输运过程中可作为一个守恒量而被用作编码信息.这种基于能谷自由度的电子学被称作能谷电子学[8-10].与自旋电子学相似,能谷电子学致力于产生、操纵及探测能谷流.许多学者在利用锯齿形石墨烯条带[11-12]、应力[13-15]以及线缺陷[16-17]来产生能谷极化流方面都取得了卓越成果.
能谷电子学中的另外一个挑战是如何产生纯能谷流.纯能谷流源于两个能谷处大小相等方向相反的电流,类似于旋电子学中的纯自旋流[18-21].最近,有学者建议在应力调控的石墨烯中利用量子泵浦的方法来产生纯能谷流[22-25].其中,Wang等[24-25]建议在具有两个反对称磁势垒的结构中对称地泵浦另外3个电势垒.磁矢势与应力诱导的有效矢势的共同效应是文献[22-25]的核心思想.但是,在实际的器件应用中,磁势垒的调制并不容易.Jiang等[22]建议同时用周期性调制应力以及化学势来实现纯能谷流的泵浦.然而,其中的机制尚未被完全揭示,还缺少一个简单的物理图像让人们来理解这一效应.并且,利用其中机制将此泵浦推广到一般的同时,调制应力与另外任一参数的泵浦是非常必要的,因为这将有助于此类纯能谷流量子泵浦的实验实现.
此外,二维类石墨烯材料,如硅烯[26-28]、锗烯[29]和锡烯[30]等,提供了一个融合自旋电子学及能谷电子学的平台.这些材料中的电子性质类似于石墨烯,但却存在较大的自旋轨道耦合相互作用.二维类石墨烯材料的另一个显著优势是这些材料的平面结构有一定的起伏,即两套子格子分别在两个平面上,使利用垂直电场来得到交错的子格子势成为可能,并因此能在很大程度上调控电子性质.当Kane-Mele型[31]的自旋轨道耦合与交错子格子势共存时,类石墨烯材料的体态将进入自旋-能谷锁定相[32].也就是说,在一定的费米能范围内,特定能谷的电子将具有特定的自旋方向.在此相中,自旋流总是伴随着能谷流出现.这种自旋-能谷锁定相也存在于过渡金属氧化物中,如二硫化钼[33].在这样的相中,原来用于操纵能谷的方法,也可用于操纵自旋,反之亦然.
本研究介绍一种在类石墨烯材料中泵浦出能谷流及自旋流的方法.这种方法将对两个系统参数进行周期性调制:一个参数是应力,它在两个能谷处产生的等效矢势是相反的; 另外一个则是在两个能谷处有相同效应的任意参数,如电势垒、化学势或磁场等.应力导致的两个能谷处相反的矢势可由时间反演不变性保证,它将在两个能谷处的泵浦中产生一个π的相位差,并因此使两个能谷处泵浦出的电流因反向而产生纯能谷流.当自旋轨道耦合与外电场引起的子格子交错势共存时,系统进入自旋-能谷锁定相,此时泵浦出的纯能谷流将伴随该纯自旋流.在进一步引入一个交换场后,时间反演将被破坏,电荷场、能谷极化流及自旋极化流都可被泵浦产生.
如图1,二维类石墨烯材料中有一个区域存在周期性的应力调制.这可由纳米机电振荡系统实现[34-37].另外一个泵浦参数应当在两个谷具有同样的效应,本研究选择电势垒作为另外一个泵浦参数.在应力调制区域和电势垒调制区域之间的中间区域,垂直电场和交换场可用来调控泵浦的性质,这3个区域的长度分别为L1, L2和L3.
图1 基于类石墨烯六角格子的纯能谷流泵浦示意图
Fig.1(Color online)Schematic illustration of the proposed pure valley current pump based on graphene-like honeycomb crystals
Fig.1(Color online)Schematic illustration of the proposed pure valley current pump based on graphene-like honeycomb crystals
类石墨烯材料的低能有效哈密顿量为
Hη=vF[ηkxτx+(ky+Aη)τy]+
Δτz+σh+U(1)
其中, 为普朗克常数; vF是费米速度; η=±1分别对应能谷K和K'; kx和ky分别为波矢的x与y分量; τx, τy和 τz为泡利矩阵; A是应力引起的规范矢势y分量; Δ=ησλ+Δz, σ=±1对应自旋↑和↓, λ为自旋轨道耦合强度, Δz是交错子格子势; h为交换场的强度; U为电势垒的大小.由此可解得能带关系为
EF=±(2v2F[k2x+(ky+Aη)2]+Δ2)1/2(2)
在此结构中,自旋轨道耦合存在于体系的所有区域,而交错子格子势和交换场只存在于L2区域,应力调制位于L1区域,电势垒调制位于L3区域.应力和电势垒的周期性调制可分别表示为
A(t)=A0+δAsin(ωt+φ)(3)
U(t)=U0+δUsin(ωt)(4)
其中, A0和U0分别为两个泵浦参数的静态值; δA和δU为泵浦幅度; ω为泵浦频率; φ为两个周期调制之间的相位差.在泵浦幅度很小的情况下, δU的表达式为文献[22,38]中纳米振荡器诱导矢势的1阶展开.
因为体系在y方向是无限大的, ky是一个好量子数.每个区域的本征波函数可以很容易求出,利用波函数在各个边界处的连续条件,可得到整个系统的散射矩阵[19].在绝热近似以及小幅度泵浦近似下,用Brouwer公式计算泵浦电流[39]为
Iησ=(eωδAδUsin φ)/(4π2)∫kF-kFIm((r*)/(A)(r)/(U)+(t'*)/(A)(t')/(U))dky(5)
其中, e为电子电荷; r是从左边入射的反射系数; t'是从右到左的透射系数; 符号*表示复共轭运算; kF为费米波矢的大小.
得到特定能谷特定自旋的电流之后,系统总的电荷流可定义为
Ic=IK↑+IK'↑+IK↓+IK'↓(6)
能谷流定义为
Iv=IK↑+IK↓-IK'↑-IK'↓(7)
自旋流定义为
Js=/(2e)Is=/(2e)(IK↑+IK↓-IK'↑-IK'↓)(8)
由式(1)可知,应力引起的有效规范矢势A在两个谷K和K'处取相反的符号.该符号的变化等效于在A(t)的周期调制部分有1个π的相移,即导致调制相差φ产生1个π的相移.另由式(2)至式(4)可知, φ中π的相移将导致泵浦电流反号.在以下数值计算中,令相位差φ=π/2以使泵浦电流最大化,泵浦幅度δA=δU=1 meV,泵浦频率ω=1 GHz.
图2分别显示了在不同静态参数A0和U0下,泵浦出的电荷流Ic与能谷流Iv随电子费米能的变化.图2中L2区域内的交错子格子势与交换场都为0.
图2 不同静态参数A0与U0下泵浦的电荷流及能谷流作为费米能的函数
(L1=L2=L3=100 nm,λ=1 meV, Δz=h=0)
Fig.2(Color online)The pumped charge current and valley current versus the Fermi energy for different static parameters A0 and U0.
由于存在Kane-Mele型自旋轨道耦合,体系的状态为量子自旋霍尔绝缘相[32].又因交错子格子势为0,自旋是简并的,所以泵浦的自旋流为0.根据对称性分析,式(1)说明两个能谷处的哈密顿量可由算符Ryτz联系起来.其中, Ry为y方向的反射算符.由文献[40- 41]中的对称性分析可知,静态的反射与透射系数将存在rK(ky)=rK'(-ky)和t'K(ky)=t'K'(-ky)的关系.如式(5), A(t)在两个能谷处的符号变化等效于相差φ有1个π的相移,导致泵浦电流在两个能谷处大小相等但符号相反.总的来说,泵浦电流将具有对称性,即
IK↑= IK↓=-IK'↑=-IK'↓
从图2可见,系统泵浦出的是纯能谷流,电荷流为0.由于电子空穴的对称性,在图中仅显示了电子部分的结果,空穴部分的结果与电子部分关于中性点对称.尽管能谷流随费米能的变化而振荡,但依然存在较大的能谷流是较为平滑的能量区域.在图2(a)中,能谷流在10 meV附近有剧烈振荡,这源于自旋轨道耦合打开的2λ=2 meV的能隙.随着静态应力A0的增大,泵浦的能谷流幅度减小.随着静态电势垒U0的增大,能隙导致的能谷流剧烈振荡将向高能区移动.
在L2区域施加一个垂直电场引入交错子格子势后,自旋简并被破坏.在能量区域[-Δz-λ, -|Δz -λ|]和[|Δz-λ|,Δz+λ], 只存在一个自旋子带.在这两个能量区域内,电子具有自旋-能谷锁定的性质.图3显示了在L2区域引入交错子格子势后,泵浦出的能谷流与自旋流随电子费米能的变化.从对称性角度来看,当交错子格子势出现后,两个能谷的哈密顿可由算符Ryτzσx联系起来,这里σx为自旋翻转.属于不同能谷和不同自旋的泵浦电流将具有对称关系,即IK↑=-IK'↓及IK↓=-IK'↑, 但IK↑≠IK↓.
图3 在L2区域引入交错子格子势后泵浦出的自旋流与能谷流
(L1=L2=L3=100 nm, A0=1 meV, U0=10 meV, h=0)
Fig.3(Color online)The pumped spin currents and valley currents for various parameters
由对称性分析可知,体系泵浦出的是纯能谷流和纯自旋流,电荷流将依然为0.在图3(a)中,电子能量位于U0=10 meV附近时的剧烈震荡依然源于自旋轨道耦合引起的能隙.从图中可见,因为能带的自旋劈裂,大幅度的纯自旋流不仅存在于自旋-能谷锁定相出现的能量区域,也存在于带隙附近.同样因为自旋劈裂的增大,随着Δz的增大,纯自旋流也增大.图3(b)显示, λ的增大不仅使自旋流增大,亦会使震荡的位置发生移动.图3(c)和图3(d)表明,自旋流产生的条件是Δz和λ必须同时存在,且通过适当调节两者的大小可使自旋流的幅度最大化.
在L2区域引入交换场后,系统将在该区域进入能谷极化相.因为能谷简并被破缺,将产生泵浦电荷流.图4(a)和图4(b)显示了在交换场施加在L2区域后,泵浦出的能谷极化流和自旋极化流随电子费米能的变化.从图4(c)可见,随着交换场强度h的增大,泵浦电荷流开始时也会增大,并在达到极值后再变小.
图4 不同交换场下Ic, Iv, Is作为费米能的函数及固定费米能EF=25 meV时Ic对h的依赖
(λ=Δz=1 meV, L1=L2=L3=100 nm, A0=1 meV, U0=10 meV)
Fig.4(Color online)Ic, Iv, Is versus EF for different h, and Ic versus h for fixed EF=25 meV
A0=1 meV, U0=10 meV)最后讨论此类泵浦的实验可行性.若仅需泵浦出纯能谷流,石墨烯则是一个理想的选择.纳米振荡系统上的悬挂石墨烯是实现应力周期调制的理想平台,而对于纯自旋流的泵浦,可选择硅烯.虽然悬挂的硅烯还未被实验实现,但是在柔性薄膜衬底上的硅烯仍可能通过纳米振荡系统来实现应力调制.另外,锗烯、锡烯、双层钙钛矿结构以及金属有机框架聚合物皆可.本研究在计算时采用的自旋轨道耦合强度为1 meV,与上述类石墨烯材料中自旋轨道耦合的平均强度属同一量级,交换场强度为5 meV,也可通过铁磁材料近邻效应诱导出来.因此,所建议的基于类石墨烯材料中应力调制的泵浦在实验上是可行的.
通过系统研究石墨烯及类石墨烯二维材料中一般的基于应力周期调制的量子泵浦,发现若除了应力之外的另外一个泵浦参数在两个谷K和K'处的效应是一样的,则纯能谷流可被泵浦出来; 而在自旋轨道耦合较大的类石墨材料中,体系在垂直电场下可进入自旋-能谷锁定相,这时伴随纯能谷流还可泵浦出纯自旋流.更进一步,在体系中引入交换场后,电荷流、能谷极化流以及自旋极化流都可被泵浦得到.本研究的意义在于,将文献[22]中建议的同时调制应力以及化学势的纯能谷流泵浦推广到一般的同时调制应力与任一另外参数的泵浦,并且从泵浦参数相位差与对称性的角度对纯能谷流的产生给出了一个简单的解释与物理图像.由于应力在两个能谷处的赝矢势反号,如果另一个泵浦参数在两个能谷处效应一样,则两个能谷处的泵浦的调制参数相位差会差一个.这样,两个能谷处的泵浦流在没有磁场的时候将严格相反,纯能谷流的产生将由对称性保证.这个简单的物理图像将有助于此类纯能谷流量子泵浦的理解、推广、与物理实现.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
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